奈伏泰斯（NAVTAX）系統及其信號分析綜述

張 杰，袁冰清

（國家無線電監測中心上海監測站，上海 201419）

0 引言

東風潮漲，春光浩蕩；南海之濱，滿帆啟航，自貿港建設蓬勃展開，海南改革開放不斷創新局。為了實現第七航權試點開放、安全開辟海上絲綢之路，由廣州通信中心承擔南海海區包括廣東、廣西、海南三省的NAVTEX（奈伏泰斯）安全信息統一播發值守工作。

1 NAVTEX系統簡介

NAVTEX系統主要用于向船舶發布導航、氣象警告以及其他緊急信息，保證船舶航行安全，是全球海上遇險和安全系統的重要組成部分。它由標準中頻頻率518kHz發送無線電電傳安全信息的海岸電臺組成，通常選擇分組分時工作，每隔四小時發送信息一次，每次發送時長小于等于10分鐘。

NAVTEX是一種國際自動直接打印服務，采用英文播發向船舶發布信息，但為滿足當地政府需求，也可采用除英語外的其他語言播發。全球水域劃分為16個航行警告區，每個航行警告區按其覆蓋的范圍可設若干個NAVTEX岸臺，最多可設24個岸臺，分為4組，每組6個。NAVTEX岸臺臺以英文字母A～X進行編號，構成NAVTEX臺鏈。而我國擁有6個NAVTEX臺站，分別是大連R、福州O、上海Q、廣州N、三亞M、中國香港L，臺站覆蓋范圍均在250海里左右。國際電信聯盟為此專門劃分了頻率，即518kHz、490kHz和4209.5kHz。

2 NAVTEX系統構成及特性

NAV T EX系統由信息提供和協調部門、NAVTEX發射臺和NAVTEX接收機三部分構成，如圖1所示。信息提供和協調部門主要向船舶播發海上安全信息（MSI）并進行相應的協調工作。其中，海上安全信息主要包括航行警告、遇險及搜救信息、氣象及冰況信息，這些安全信息經協調一致后再送NAVTEX發射臺發送。NAVTEX發射臺由若干個岸基臺鏈組成，在規定頻率上定時播發MSI。

圖1 NAVTAX系統構成

NAVTEX接收機用來自動接收、選擇、存儲并打印發射臺播發的有關信息，其接收機的基本組成如圖2所示。

圖2 NAVTEX接收機的基本組成

3 NAVTEX報文格式

每段NAVTEX信息的播發包含四個字符的報頭：第一個字符表示電臺識別號；第二個字符表示信息內容或種類；第三個和第四個數字符表示信息的序列號。因此，報頭使船舶接收機的微處理器從眾多信息中篩選出那些只與本船相關的電臺信息、本船所需種類的信息和本船先前未收到的信息，而所有其他信息都被抑制。NAVTEX電文格式如表1所示。

表1 NAVTEX電文格式

（1）定相信號：同步NAVTEX發射臺與接收機，確保船舶接收到的電文信息與發射臺的一致。

（2）起始標志：ZCZC，表示上一份NAVTEX電文在該符號之前已結束，新電文內容從此處開始。只有當接收機正確識別ZCZC后，才能接收到正確的電文并打印出來。

（3）技術編碼（報頭編碼）B1B2B3B4，說明信息來源及種類。其中：

B1：發射臺標識。當船舶正在某一海域中航行，或者即將行駛至某一海域時，可以選擇覆蓋該海域的NAVTEX發射臺。

B2：信息類型識別（A～Z），表示報文種類。A：航行警告（不可拒收），B：氣象警告（不可拒收）；C：冰況報告；D：搜救信息（不可拒收）；E：氣象預報；F：引航信息；L：由于航警信息較多，有效期較長，為防止在某個時間段出現代碼枯竭，當航警報文編號超過99時，使用字母L可繼續從01編號開始（不可拒收）；Z：QRU（目前無信息）

B3B4：雙位電文編號。對每一類報文的編號，從01～99，然后再從01開始。其中：重要的緊急報文，比如船舶遇險電文或屬于有關人命安全的重要通知等，可以使用00編號，而00編號的電文要求強制接收，不可拒收。

（4）TIME OF ORIGIN：電文始發的時間。

（5）MESSAGE TEXT：電文的正文。

（6）NNNN：一份電文的終止符號。當終止符有接收不完整時，例如接收少于四個N時，電文需重新接收。

在接收電文時，當B1B2丟失或誤碼率超過了33%，接收到的NAVTEX電文不予打印。以下舉例一份NAVTEX電文，供參考：

ZCZC QB53

SHANGHAI COAST RADIO STATION

2021/6/28 16：25：40

CLASS：ROUTINE

NAV IGAT IONA L WA R N I NG QR72 TO ALL STATIONS

XE0022 FROM NORTH YELLOW SEA TO SOUTH CHINA SEA FROM

1 8 0 8 0 0 U T C J U N T O 1 5 1 8 0 0 U T C J U L T WO T UGS H A I YA NGSH I YOU708

HAIYANGSHIYOU698

A N D H UA H U TOW I NG PL AT FOR M LI NGSH U I17-2 LENGT H OV ER A LL 80 0 METERS SPEED

4 KNOTS VIA （A） （38-36-14N/121-27-55E） （B）（38-36-41N/121-28-32E） （C） （38-41-42N/121-29-32E）

DALIAN MSA CHINA

NNNN

4 NAVTEX信號解調算法

現有的NAVTAX接收機基本采用了軟件無線電的設計理念，基本實現了數字濾波、快速解調、接收機自檢等功能。同時，通過改進信號解調算法，從而可以改進、優化整個接收機系統。目前較為成熟的NAVTAX信號解調算法主要有正交延時解調算法（差分濾波法）和STFT（Short2time Fourier transform）方法。

4.1 正交延時解調算法

通常把FSK信號S（t）經過τ的延時得S（t-τ）后，再與原信號相乘，得到：

令τ滿足wc?τ =π ?2，可得到：

在NAVTEX系統中，δw為85 Hz，其數值遠小于wc，因此可以得出δw?τ≤wc?τ =π ? 2。通過Ss（t）的符號判斷當前碼元符號：如果Ss（t）的符號為負，則表明發送頻率為wc-δw；Ss（t）的符號為正，則表明發送頻率為wc+δw，繼而得到碼元符號。

濾波器的差分方程為：

小數倍延時τ定義為

式中，w=2πf為歸一化角頻率，f=fc?fs，fc為載波頻率，fs為采樣頻率。

4.2 STFT解調算法

STFT解調算法主要是采取對輸入序列增加移動窗后進行DFT變換，從而把輸入信號轉換到離散化的時頻平面上（nT，kF）上，如此就能反映某時間節點上的頻率分布情況。

假設輸入序列為x（n），那么其STFT變換為：

式中，w（r）為分析窗函數；N為窗寬度；f1代表數據0的信號頻率；f2代表數據1的信號頻率；fs為采樣頻率，那頻率點得到幅度值為：

當某個碼元時刻頻率為f1時X（K1）應為最大，反之則X（K2）為最大。選用處于載波頻點附近的最大峰值判斷，具體如式（9）所示，當K1（r）>K2（r），判為0；否則為1。其中，2ι為搜索帶寬，r為第個碼元。

當移動窗取在一個完整的頻率為f1（或f2）的碼元，則K1（r）會大于K2（r）（或K2（r）大于K1（r）；如果當移動窗的位置選取在兩個不同極性碼元交界處，由于同時具備f1和f2的頻率成分，所以K1（r）和K2（r）的大小會比較接近。

5 NAVTEX信號監測

NAVTEX電文播報采用的是窄帶直接印字電報（NBDP）技術，其調制方式采用了二進制頻移鍵控（2FSK），調制信號頻移為±85 Hz，調制速率為100波特，即微波1秒內發射100個碼元，每個碼元發射時長為10 ms。以518 kHz頻率為例，那么NAVTAX信號頻率為518 kHz±85 Hz。其中，518.085 kHz信號代表碼元“B”，517.915 kHz信號代表碼元“Y”。當解調出一個碼元之后，需要按照特定的編碼方式對碼元進行解碼運算，得到相應的NAVTAX信息，即NAVTAX報文。NAVTAX采用4B3Y的編碼方式，即7個碼元代表一個字符。

圖3 信號瀑布圖

利用專用的信號分析軟件（如Wavecom公司的WPCI），可對NAVTEX信號的調制方式、載波數、載波間隔及波特率等參數進行分析，同時還可以進行解碼，解讀出報文內容。

圖4 信號類別分析

圖5 頻移鍵控調制分析

圖6 解碼圖

6 結束語

如今NAVTEX系統在客船、漁船以及其他小型船舶上得到廣泛使用，作為海上安全信息發布平臺，為船舶航行提供了通信保障。同時隨著NAVTEX岸基設備的建設與改造，升級了中文NAVTEX廣播系統，推廣中文NAVTEX的應用，提高了中英文海上安全信息的實效性，而隨著移動通信需求的日漸增大，NAVTEX將擴展越來越多的功能。本文主要對NAVTEX系統、相關信號特征進行了簡要闡述，做好相關監測的技術儲備。